Cette thèse porte sur l’étude mécanistique de réactions mettant en jeu des complexes de palladium. Deux systèmes différents sont étudiés, mettant ainsi en évidence des approches mécanistiques à différents niveaux. La première étude réalisée concerne l’addition oxydante de complexes [palladium - ligands azotés] sur des iodoarènes. Une cinétique d’ordre 2 en palladium(0) a été mise en évidence expérimentalement, pour une grande variété de conditions (ligands, solvants, iodoarènes). Un mécanisme coopératif faisant intervenir l’activation de la liaison CI par un complexe de palladium, suivi par l’insertion oxydante d’un deuxième complexe de palladium a été proposé et étudié par DFT. La deuxième étude porte sur formation d’oxazolidine-2,4-diones à partir d’adduits de Passerini, catalysée au palladium. L’objectif est ici de déterminer les intermédiaires mis en jeu dans cette réaction impliquant la formation de 3 nouvelles liaisons sur le squelette carboné. Une double réaction de Tsuji-Trost a été mise en évidence et le rôle particulier de l’allylméthylcarbonate utilisé a été étudié. A la lumière de ces résultats, un cycle catalytique a été proposé. Cette étude montre le potentiel de la compréhension détaillée des phénomènes à l’échelle moléculaire pour imaginer de futurs développements. / In this thesis, the mechanistic study of reactions involving palladium complexes is presented. Two systems have been studied, with different levels of mechanistic investigation. The first study aims at explaining the peculiar behavior of palladium ligated to nitrogen-containing ligands in the oxidative addition on iodoarenes. A second order in palladium(0) reaction rate has been experimentally demonstrated for various conditions (ligand, solvent, iodoarene). A cooperative mechanism involving the pre-activation of the C-I bond by a palladium complex prior to the oxidative insertion itself has been proposed and studied by DFT. In the second study, the palladium-catalyzed formation of oxazolidine-2,4-diones from Passerini adducts is investigated. The goal is to determine the relevant intermediates of the reaction and to explain the formation of the three new bonds. Two Tsuji-Trost reactions occur and the special role of allylmethylcarbonate has been studied. This mechanistic study highlights the potential of thorough understanding of mechanisms at the molecular level to envision further synthetic developments.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les transferts d'électrons sont très souvent accompagnés de transferts de proton, que ce soit lors de processus naturels, enzymatiques ou artificiels. Le fonctionnement du photosystème II en est un exemple remarquable : l'oxydation de l'eau en dioxygène grâce à l'énergie solaire fait intervenir à plusieurs reprises le couplage entre transfert d'électron et transfert de proton, notamment lors de l'oxydation d'une tyrosine. Notre étude a porté sur l'oxydation de divers phénols en milieu aqueux comme premier modèle. Cette réaction peut suivre deux types de mécanisme : séquentiel ou concerté. L'oxydation du 2,4,6-tri-tert-butylphénol et du phénol a été étudiée par des méthodes hétérogènes (électrochimie directe) et homogènes (catalyse rédox, transfert électronique photoinduit et « stopped flow »). En milieu non-tamponné, pour les solutions les plus basiques, il y a tout d'abord déprotonation puis oxydation. A mesure que le pH diminue, ce mécanisme laisse place à un mécanisme concerté avec libération du proton dans l'eau. Il est à noter que le mécanisme séquentiel avec un transfert d'électron suivi du transfert de proton n'est jamais compétitif. Dans le cas du phénol, l'énergie de réorganisation associée au mécanisme concerté a été estimée à 0,4 eV. Lorsque le proton est capté par une base d'un tampon (milieu phosphate), l'énergie de réorganisation est de 0,7 eV. Cette différence a été interprétée par un rôle spécifique joué par l'eau en tant qu'accepteur de proton, un petit nombre de molécules d'eau pré-organisées étant nécessaires lors de la réaction d'oxydation du phénol. Le modèle qualitatif proposé a été corroboré par des expériences menées dans des mélanges eau / acétonitrile.

Ce mémoire est consacré à la réactivité rédox de la porphine de magnésium, à l'étude de son électropolymérisation et des matériaux résultants, à sa fonctionnalisation par des nucléophiles ainsi qu'à l'étude mécanistique du couplage oxydant C-C sur une porphyrine modèle tri-méso-substituée.L'oxydation électrochimique de la porphine de magnésium au stade du radical cation, génère des oligomères en solution et des polymères à la surface de l'électrode dont la structure moléculaire dépend du potentiel imposé. La réactivité du radical cation a également été exploitée en additionnant un nucléophile (pyridine et triphénylphosphine) dans le milieu réactionnel en quantité suffisante, afin d'inhiber le processus d'oligomérisation/polymérisation et conduire exclusivement aux produits de mono-substitution. En dépit des deux types de positions libres sur l'anneau porphyrinique (positions méso et ?-pyrrolique), la réaction est idéalement régio-sélective sur la position méso.L'analyse d'un dérivé modèle, une porphyrine tri-substituée en position méso, ne possédant donc qu'un seul site méso réactif, a permis de simplifier l'étude mécanistique du couplage oxydant C-C puisque celui-ci ne peut conduire qu'à la formation du dimère simplement lié. Par ailleurs, ce dernier a été électrosynthétisé avec des rendements inégalés et compétitifs avec ceux de la voie chimique. Enfin, la substitution nucléophile anodique (phosphination, nitration et pyridination) en position méso a été élargie à des porphyrines tri-substituées de nickel, magnésium et zinc. Le complexe de magnésium nitré a été quantitativement converti en amine par hydrogénation électrocatalytique

Ce mémoire est consacré à la réactivité rédox de la porphine de magnésium, à l’étude de son électropolymérisation et des matériaux résultants, à sa fonctionnalisation par des nucléophiles ainsi qu’à l’étude mécanistique du couplage oxydant C-C sur une porphyrine modèle tri-méso-substituée.L’oxydation électrochimique de la porphine de magnésium au stade du radical cation, génère des oligomères en solution et des polymères à la surface de l’électrode dont la structure moléculaire dépend du potentiel imposé. La réactivité du radical cation a également été exploitée en additionnant un nucléophile (pyridine et triphénylphosphine) dans le milieu réactionnel en quantité suffisante, afin d’inhiber le processus d’oligomérisation/polymérisation et conduire exclusivement aux produits de mono-substitution. En dépit des deux types de positions libres sur l’anneau porphyrinique (positions méso et ?-pyrrolique), la réaction est idéalement régio-sélective sur la position méso.L’analyse d’un dérivé modèle, une porphyrine tri-substituée en position méso, ne possédant donc qu’un seul site méso réactif, a permis de simplifier l’étude mécanistique du couplage oxydant C-C puisque celui-ci ne peut conduire qu’à la formation du dimère simplement lié. Par ailleurs, ce dernier a été électrosynthétisé avec des rendements inégalés et compétitifs avec ceux de la voie chimique. Enfin, la substitution nucléophile anodique (phosphination, nitration et pyridination) en position méso a été élargie à des porphyrines tri-substituées de nickel, magnésium et zinc. Le complexe de magnésium nitré a été quantitativement converti en amine par hydrogénation électrocatalytique / This work deals with the redox reactivity of magnesium porphine, the study of its electropolymerization and resulting materials, of its functionalization by nucleophiles as well as the mechanistic investigation of the C-C oxidative coupling on a tris-meso-substituted porphyrin model.The electrochemical oxidation of magnesium porphine to its cation radical leads to oligomers in solution and polymers on the electrode, which molecular structure depends on the imposed potential. The reactivity of the cation radical has also been exploited by adding sufficient amount of nucleophiles (pyridine and triphenylphosphine) in the reactional in order to inhibit the oligomerization/polymerization process and to lead exclusively to the mono-substitution product. In spite of the two types of free positions on the porphyrin ring (meso and ? positions), the reaction is ideally regio-selective on the meso position. The analysis of a model derivative, a tris-meso-substituted porphyrin, thus having only one reactive site méso, rendered the mechanistic study of the C-C oxidative coupling easier since this one can only lead to the formation of the meso-meso dimer. In addition, the latter was electrosynthesized with high and competitive yields compared with those reported for the chemical way. Lastly, the anodic nucleophilic substitution (phosphination, nitration and pyridination) in meso position was extended to tris-meso-substituted porphyrins of nickel, magnesium and zinc. The nitro-porphyrin magnesium complex was converted quantitatively into amine by electrocatalytic hydrogenation

La performance des complexes biomimétiques utilisés comme catalyseurs pourrait résider dans le fait que, lorsqu'ils impliquent un transfert 1e-,1H+ (PCET) celui-ci ait lieu de manière concertée, évitant ainsi la formation d'intermédiaires coûteux en énergie. Par une approche expérimentale électrochimique, nous avons déterminé les paramètres gouvernant la compétition entre mécanismes séquentiel et concerté pour un PCET grâce à un composé modèle ([OsII(bpy)2py(H2O)](PF6)2). Pour ce faire, les mécanismes propres à chaque PCET présentés par le complexe d'osmium ont été identifiés : le transfert 1e-,1H+ associé au couple rédox OsII(H2O)/OsIII(OH) emprunte un mécanisme séquentiel alors que celui associé au couple rédox OsIII(OH)/OsII=O emprunte un mécanisme concerté. En comparant ces deux systèmes, nous avons pu déterminer les paramètres influençant le mécanisme concerté. Ainsi, un complexe « idéal » présentant un mécanisme concerté possède une sphère de coordination assez rigide afin d'avoir des constantes de vitesse standard élevée, un écart de ses constantes d'acidité important, une base géographiquement proche, doit être dans un environnement ne présentant pas d'anion pouvant s'associer plus fortement avec le complexe que la base et enfin répondre correctement aux critères de solubilité et stabilité chimique dans le milieu ciblé. L'étude d'un complexe de manganèse biomimétique de la superoxyde dismutase a permis d'appliquer la méthodologie mise en place lors de l'étude du complexe d'osmium et de confirmer les conclusions mises à jour par ce dernier: lorsque la concentration en espèce acceptrice de proton est importante, le processus concerté peut devenir prépondérant.

Dans le but de mieux comprendre les mécanismes de transferts d'amines catalysés par des métaux et la nature des espèces actives impliquées, nous avons synthétisé un complexe binucléaire à fer non hémique possédant un substrat interne de nature aromatique. La réactivité de ce complexe vis-à-vis d'un donneur d'amine ArINTs se traduit par la formation de deux produits résultant d'une mono et d'une double amination aromatique. Par l'emploi de différentes techniques chimiques et spectroscopiques, nous avons résolu l'ensemble du mécanisme de la réaction. Des études de marquage isotopique couplées à la spectrométrie de masse et à une quantification des produits formés par HPLC nous ont permis de mettre en évidence le passage par deux intermédiaires réactionnels, l'un de nature FeIIIFeIV(=NTs) et l'autre de nature FeIVFeIV(=NTs)(-NHTs) analogue à l'intermédiaire Q de la MMO.<br />La deuxième partie de ce manuscrit est dédiée à un complexe binucléaire à fer à valence mixte possédant une branche aniline. En présence de base, ce complexe subit une déprotonation du ligand aniline induisant une inversion de valence des ions métalliques et un changement de couleur de la solution visible à l'œil nu. Cette réaction réversible est le premier cas d'inversion de valence induit par une réaction acido-basique. Ce complexe possède la capacité de détecter des amines en solution organique et en phase solide.

Grâce aux récents progrès en terme d'instrumentation analytique, la protéomique, en tant que science qui étudie le protéome d'un organisme ou d'un milieu, a connu un véritable tournant et a permis d'étendre le champ des connaissances sur le fonctionnement du vivant dans son ensemble (structure, fonction, métabolisme, dynamisme). Néanmoins, l'étude des protéomes représente un challenge pour de nombreux biologistes, chimistes et biochimistes, en raison notamment de la complexité des échantillons étudiés. De nombreux protocoles analytiques ont d'ores et déjà été développés. Cependant, dans leur ensemble, ces stratégies sont relativement longues et multi-étapes et le plus souvent ciblées sur une protéine donnée.Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour objectif de simplifier les protocoles expérimentaux existants afin de limiter les pertes en protéines et ainsi amplifier leurs signaux au cours d'une analyse « Bottom-up » par LC-HRMS (analyse « hors gel »). Chaque étape du processus a été décortiquée et optimisée. Dans un premier temps, les paramètres UPLC-HRMS/MS ont été optimisés afin d'améliorer la détection et la quantification des protéines présentes à des concentrations très variables dans les milieux étudiés. Ensuite, une approche de purification simplifiée qui repose sur une seule et unique étape de lavage et solubilisation des protéines a été mise au point. La démonstration de son efficacité « chimique » et « biologique » a ensuite été réalisée via une étude mécanistique au cours de laquelle les changements de conformation des protéines ont été étudiés à chacune des étapes de purification proposées. Enfin, certains paramètres influençant l'extraction des protéines à partir de ces mêmes matrices ont été étudiés afin de proposer à terme un protocole d'extraction à la carte compatible avec une analyse directe par LC-HRMS/MS. / Recent advances in proteomics have been spurred by the rapid development of hybrid and/or high-resolution mass analysers (HRMS/MS). These powerful instrumentations have led to significant improvements in « Bottom-up » approach and have enabled to deepen our knowledge on the functionality of biological systems (structure, function, metabolism, dynamic, etc).Despite their high sensibilities, the potential of such instruments could be significantly lessened by an imperfect sample pre-treatment. In this context, current sample pretreatments follow multi-steps experimental workflows, which alternatively lead to low recoveries of proteins. In this line, this study aims at developing a simple and versatile strategy in order to reduce protein losses and enhance their detection in gel-free LC-MS analysis. First, an analytical method based on liquid chromatography and tandem mass spectrometry was developed to detect and quantify complex peptides mixture. Secondly, a universal, simple and fast purification approach was designed with the aim to purify protein extracts in only one-step. For this purpose, the molecular reactivity, dynamics and conformational changes of proteins at each development step were comprehensively investigated with a set of spectroscopic techniques, in order to select the best strategy. Finally, different factors influencing extraction of proteins were investigated with the goal in the long term to propose an on-demand extraction protocol for direct analysis of proteins by LC-HRMS/MS.

Les cytokinines sont des hormones régulant de nombreux processus physiologiques. Elles sont en particulier impliquées dans certaines interactions plantes-microorganismes pathogènes. Leur perception est assurée par les récepteurs Histidine Kinases (HK) dont la fonction est prédominante dans la transduction de signaux moléculaires et environnementaux. Ce travail a permis une caractérisation complète des cinq récepteurs aux cytokinines de type CHASE-Histidine Kinase (MdCHK) et d’un osmosenseur (MdHK1) chez le pommier, espèce d’intérêt économique soumise à l’attaque de nombreux pathogènes. La combinaison d’approches moléculaires et bio-informatiques a révélé les particularités fonctionnelles et les rôles spécifiques des MdCHK. Ces connaissances ont permis de sélectionner une souche de levures exprimant le récepteur MdCHK2 en tant que biosenseur de cytokinines. Ce nouvel outil biotechnologique optimisé pour la détection rapide de cytokinines a conduit à la mise en évidence d’une production de ces composés par Erwinia amylovora, bactérie pathogène du pommier. Le criblage de bactéries pathogènes humaines grâce au biosenseur a également révélé leur production par Staphylococcus aureus et Streptococcus agalactiae. Afin d’optimiser ce biosenseur, une approche mécanistique de MdCHK2 a été entreprise et dévoile l’importance de certains domaines dans ses spécificités de perception. / Cytokinins are hormones regulating numerous physiological processes. They are particularly involved in some plant-pathogen interactions. Their perception is ensured by Histidine Kinase (HK) receptors which play a prevailing role in transducing molecular and environmental signals. This work enabled the full characterization of the five cytokinin CHASE-Histidine Kinase receptors (MdCHK) and the osmosensor (MdHK1) in apple tree, a species of economic interest subjected to many pathogen attacks. Combining molecular and bioinformatics approaches led us to reveal the functional features and specific roles of the MdCHK. This knowledge allowed us to select a yeast expressing the MdCHK2 receptor as a cytokinin biosensor. This new biotechnological tool optimized for fast cytokinin detection led us to expose the production of such molecules in Erwinia amylovora, a pathogenic bacterium of apple. Screening human pathogenic bacteria with the biosensor also unveiled their production in Staphylococcus aureus and Streptococcus agalactiae. In order to optimize this biosensor, we initiated a mechanistic approach on MdCHK2 and showed the importance of some domains in its perception specificities.

Les cycles azotés font partie intégrante de la vie sur Terre. Cette thématique est transcrite dans les travaux de cette thèse à travers les tétrazoles et les morpholines. Les morpholines sont des azacycles saturés possédant de nombreuses propriétés physico-chimiques et structurales intéressantes, ce qui en fait un motif de choix en chimie médicinale. L'essor des morpholines est d'autant plus important que les industries pharmaceutiques tendent à limiter l'utilisation de cycles insaturés au profit de motifs permettant des structures plus complexes et occupant les trois dimensions de l'espace. Ainsi, le développement de nouvelles voies d'accès aux morpholines est contemporain. La contribution présentée dans ce manuscrit s'appuie sur la réduction de tétrazoles oxabicycliques par des hydrures. Le mécanisme du clivage réductif du tétrazole en amine a par ailleurs été étudié et élucidé. Les cyanamides forment un groupement fonctionnel intéressant grâce à leur nature électronique ambivalente. Elles sont de plus en plus utilisées en chimie médicinale en tant qu'inhibiteurs covalents. Alors que les cyanamides ont été découvertes à l'aube de la chimie organique, leurs synthèses ont traditionnellement eu recours à des sources de cyanure, composé extrêmement toxique. La métallation en position 5 des tétrazoles 1-substitués permet d'induire la rétrocyclisation spontanée conduisant à l'expulsion d'une molécule de diazote et d'un sel de cyanamidure. Ce sel a pu être isolé ou alkylé in situ, offrant une nouvelle voie d'accès aux cyanamides sans source de cyanure. Les cyanamides ainsi obtenues ont pu être diversifiées en amidines par addition d'organolithiens. La Polygonapholine est un alcaloïde contenant une morpholine 2,6-disubstituée isolé en 1997. La structure rapportée est probablement erronée et seule une synthèse en laboratoire peut confirmer son exactitude. Ainsi, la première synthèse totale de ce produit naturel a été débutée et est présentée dans le dernier chapitre de ce manuscrit. / Nitrogen-containing rings are core entities in the living world. This theme is conveyed in the manuscript through tetrazoles and morpholines. Morpholines are saturated azacycles possessing numerous physico-chemical and structural properties, which makes them a motif of interest in medicinal chemistry. The impact of morpholines is even more important as pharmaceutical industries try to avoid overuse of unsaturated rings in favor of saturated motifs that allow for more complex structures in the three dimensions. Therefore, development of new methods to access morpholines is an ongoing activity in many laboratories. The approach presented herein relies on the hydride reduction of oxabicyclic tetrazoles to morpholines. A detailed mechanism of the reductive cleavage of the tetrazole unit is presented. Cyanamides are endowed with an ambident electronic character that adds value to this functional group. They are widely used in drug design as covalent inhibitors. Even though cyanamides were discovered in late 19th century, their synthesis has traditionally relied on the cyanation of amines using toxic cyanide reagents. 1-Substituted 5-metalotetrazoles undergo rapid cycloreversion releasing dinitrogen and forming N-metalated cyanamide salts. The salts can be isolated or alkylated in situ, providing a new method for accessing cyanamides without the use of cyanide reagents. The obtained cyanamides could be subjected to an addition reaction with organolithium reagents, thereby yielding novel amidines. The alkaloid Polygonapholine is a 2,6-disubstituted morpholine isolated in 1997. The reported structure has never been confirmed, nor has the natural product been synthesized in the laboratory. Efforts towards its total synthesis and stereochemical confirmation is presented in the last chapter of the thesis.